[發明專利]一種由柔性驅動器驅動的膝關節

有效

• 申請號: 202010846456.5
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111906814B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 任露泉;趙順;任雷;王坤陽;錢志輝;修豪華;梁威
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種由柔性驅動器驅動的膝關節屬仿生機器人技術領域，本發明中仿生股骨和仿生脛骨上下排列，仿交叉韌帶位于仿生股骨的仿生股骨髁和仿生脛骨的仿生脛骨髁之間，仿生股骨和仿生脛骨各有兩對仿生肌肉對，仿生肌肉連接在仿生肌腱處并與固定環固定，本發明將超螺旋鍍銀尼龍纖維集成于一個驅動單元應用于膝關節，螺旋鍍銀尼龍纖維采用電熱驅動收縮，可實現高響應、無滯后、易控的線性收縮，同時采用去離子水以及半導體制冷的快速制冷效果，能實現柔性驅動器的高頻率驅動；本發明將螺旋鍍銀尼龍纖維、去離子水、半導體制冷設備集成在一個小型硅膠中，并采用磁流體密封設備對去離子水進行密封，能極好地將柔性驅動器運用到膝關節處。

技術領域

本發明屬仿生機器人技術領域，具體涉及一種由柔性驅動器驅動的膝關節。

背景技術

信息技術、新材料技術和生物技術被稱為世紀的關鍵技術，隨著人類社會進入21世紀，機器人已成為具有代表性的高技術研究課題。隨著仿生技術的快速發展，仿生機器人獲得了快速發展并在社會的多個領域被廣泛應用。近年來，各個領域對機器人的承載能力強、穩定性好、結構簡單、易于控制、智能化、創新性、安全性等提出了更高的要求。目前，機器人執行機構的驅動器主要采用液壓缸、氣缸、電機等，這使得機器人有著體積龐大、重量大、剛度高、結構復雜等特點，不適合與人的直接接觸，在與人交互操作時，有可能對人造成傷害，尤其在康復醫療、服務等領域中，人們期待機器人擁有較好的柔性及安全性。因此，具有柔性的驅動器受到了廣泛關注，成為了研究的重點。

首先是電活性聚合物EAP致動器是眾所周知的人造肌肉，主要由電能驅動。它主要分為干的和濕的。雖然EAP執行器表現出類似肌肉的特性，但干式執行器需要相對較高的電壓才能執行。相反，濕式驅動器雖然驅動電壓較低，但其驅動力太弱。氣動人工肌肉最近幾年引起了研究者的興趣。它們是由網狀或纖維增強的彈性管組成的。由于它們的驅動是利用壓縮空氣產生的，因此需要氣室、泵和閥門等輔助部件。形狀記憶合金是一種由熱能驅動的致動器。它們在應變和受力方面表現出良好的性能，然而，驅動速度低、滯環大、控制困難是其主要缺點。近年來出現了一種新型的超螺旋聚合物人工肌肉，一種基于聚合物纖維(尼龍等)扭轉后螺旋卷繞而成的新型人工肌肉，其遲滯小、壽命長、變形量大、能量密度高且成本低，在柔性驅動技術領域具有廣闊的應用前景。

發明內容

由鍍銀尼龍纖維復絲纏繞成的人工肌肉可以通過5HZ下電熱驅動，在提升22Mpa負載下產生約10％的行程，但是目前這種肌肉沒有一種很好的集成冷卻方式來直接應用到機器人關節處，本發明設計了一種由柔性驅動器驅動的膝關節，主要提出了一種可以將半導體制冷結合水冷來對超螺旋聚合物的人工肌肉進行冷卻的方法，這種制冷方式不像水冷那種需要水泵、水缸、水管等復雜的制冷結構，本發明首先用水冷來對電熱驅動的仿生肌肉制冷，液態水集中密封在硅膠管中，然后采用半導體制冷方式對液態水進行制冷，可以做成小型集成的人工肌肉，減小遲滯性，同時可以運用到多種關節處。

本發明由仿生股骨A、仿生脛骨B、仿交叉韌帶C、柔性驅動器D組成，其中仿生股骨A和仿生脛骨B上下排列，仿交叉韌帶C位于仿生股骨A的仿生股骨髁29和仿生脛骨B的仿生脛骨髁38之間。

仿交叉韌帶C中前軸承14外圈與仿生脛骨B中前孔52過盈連接；仿交叉韌帶C中后軸承16外圈與仿生脛骨B中后孔37過盈連接；仿交叉韌帶C中左軸承15外圈與仿生股骨A中左孔28過盈連接；仿交叉韌帶C中右軸承17外圈與仿生股骨A中右孔25過盈連接。